[論文レビュー] Identification of the 125 GeV Resonance as a Pseudoscalar Quarkonium Meson

J. W. Moffat|arXiv (Cornell University)|Jul 25, 2012

Particle physics theoretical and experimental studies参考文献 10被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、LHCで観測された125 GeVの共鳴状態が、トップクォーク-反クォークおよびボトムクォーク-反クォークの束縛状態の混合によって形成される準素子クォークンメソン（$\zeta^0$）であると提案する。混合角 $\phi \sim 36^\circ$ を用いた質量行列の対角化により、観測された125 GeVの質量が再現され、スピンパリティ $J^{PC} = 0^{-+}$ によって標準模型のヒッグスボソンと区別され、$ZZ^*$ および $\gamma\gamma$ 衰変チャンネルにおける明確な角度相関が予測される。

ABSTRACT

The 125 GeV resonance discovered at the LHC could be a heavy quarkonium pseudoscalar meson. The diagonalization of the mass matrix of the isoscalar quarkonium states $|ζ>$ and $|ζ^{0'}>$ produces the states identified with the pseudoscalar heavy quarkonium mesons $ζ^0$ and $ζ^{0'}$. For a mixing angle $ϕ\sim 36\,^{\circ}$ the mass of the bound state pseudoscalar resonance $ζ^0$ is $m_{ζ^0}\sim 125$ GeV. The decay rates of the quarkonium $ζ^0$ meson are estimated and compared to the standard model Higgs boson predictions. The importance of determining the spin-parity of the 125 GeV resonance is discussed. Criteria for experimentally discriminating between the pseudoscalar, $J^{PC}=0^{-+}$, $ζ^0$ quarkonium meson and the scalar $J^{PC}=0^{++}$ Higgs boson are investigated.

研究の動機と目的

• 125 GeVの共鳴状態が標準模型のヒッグスボソンではなく、準素子クォークンメソンとしての代替的同定を検討すること。
• 特に、SMヒッグス予測と比較して増幅した二光子衰変率と抑制された $\tau^+\tau^-$ 衰変率の乖離を解明すること。
• スピンパリティ $J^{PC} = 0^{-+}$ のクォークン状態と $J^{PC} = 0^{++}$ ヒッグスボソンを、角度相関測定によって区別する理論的枠組みを提供すること。
• 実験的区別が可能なように、$\gamma\gamma$、$ZZ^*$、および $b\bar{b}$ チャンネルにおける衰変率および角度分布の定量的予測を導出すること。

提案手法

• スカラーヒッグスと同様の形式的ハミルトニアン $\mathcal{H}_{\text{eff}} = \mathcal{H}_0 + \mathcal{H}_{\text{mass}}$ を用い、スカラーオープンクォークン状態 $|\zeta^0\rangle$ および $|\zeta^{0'}\rangle$ の質量行列 $\mathcal{M}$ を定式化する。
• 回転行列 $R$ を用いた質量行列の対角化により、物理的状態 $\zeta^0$ および $\zeta^{0'}$ が得られ、それぞれ質量 $m_{\zeta^0} \sim 125$ GeV および $m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV をとる。
• クォーク-反クォーク束縛をモデル化する非相対論的QCDポテンシャル $V = -a/r + br$ を用い、束縛エネルギーを推定する。
• $\zeta^0 \to ZZ^* \to 4\ell$ および $\gamma\gamma$ の衰変振幅および角度分布を導出し、偏光依存性を介してSMヒッグスと対比する。
• 有効ラグランジアンの導入：$\mathcal{L}_{\zeta ZZ} = h m_Z^2 \zeta Z^{\mu\nu} \tilde{Z}_{\mu\nu}$ はP波結合に相当し、奇パリティを示し、スカラーのヒッグス結合とは明確に異なる。
• $ZZ^*$ 衰変における角度相関の分析では、ブーストパラメータ $\gamma_a$, $\gamma_b$ および $\eta$-依存項を用い、$J^{PC} = 0^{-+}$ と $0^{++}$ を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 125 GeVの共鳴状態は、標準模型のヒッグスボソンではなく、準素子クォークンメソン $\zeta^0$ として一貫して同定可能か？
• RQ2 トップクォークおよびボトムクォークのクォークン状態間の混合角 $\phi$ は、観測された125 GeVの質量を再現するか？
• RQ3 $ZZ^* \to 4\ell$ および $\gamma\gamma$ 衰変における角度分布は、$J^{PC} = 0^{-+}$ の $\zeta^0$ と $J^{PC} = 0^{++}$ ヒッグスボソンとでどのように異なるか？
• RQ4 観測された異常な衰変率、特に増幅した $\gamma\gamma$ および抑制された $\tau^+\tau^-$ は、$\zeta^0$ モデルで説明可能か？
• RQ5 実験的に、準素子クォークンメソンとスカラーのヒッグスボソンの解釈を明確に区別できる観測量は何か？

主な発見

• 状態 $|\zeta^{0'}\rangle$ と $|\zeta^0\rangle$ 間の混合角 $\phi \sim 36^\circ$ が、$\zeta^0$ 共鳴状態の観測された125 GeVの質量を再現する。
• モデルは $m_{\zeta^{0'}} \sim 230$ GeV の第二の共鳴状態を予測し、これはトップクォークのクォークン状態のスケールと整合的である。
• $\zeta^0$ メソンはP波、パリティが奇数の相互作用 $\mathcal{L}_{\zeta ZZ} = h m_Z^2 \zeta Z^{\mu\nu} \tilde{Z}_{\mu\nu}$ を通じて $ZZ^*$ に結合するが、これはスカラーのヒッグス結合とは明確に異なる。
• $\zeta^0 \to ZZ^* \to 4\ell$ 衰変における角度分布は、$\sin^2\theta_1 \sin^2\theta_2$ 項に特徴的な $\cos^2\phi$ 依存性を示し、SMヒッグスとは異なり、実験的区別が可能である。
• $\gamma\gamma$ 衰変率は、準素子性と横偏光構造のおかげで増幅され、観測されたSM予測の約1.5–2倍の過剰に説明可能である可能性がある。
• $\tau^+\tau^-$ 衰変率は、準素子結合のおかげで抑制され、LHCでの観測されたゼロまたは負の信号と整合的である。